Vista aérea do detector de ondas gravitacionais Virgo, localizado no município de Cascina, perto da cidade de Pisa, na Itália. O Virgo é um interferômetro a laser gigante Michelson com 3 km de comprimento e ombros que complementam dois detectores LIGO idênticos de 4 km.Nos últimos três anos, a humanidade tem um novo tipo de astronomia, que difere das tradicionais. Para estudar o universo, não apenas captamos a luz com um telescópio ou neutrino usando grandes detectores. Além disso, pela primeira vez, também podemos ver as ondulações inerentes ao próprio espaço: ondas gravitacionais.
Os detectores LIGO agora complementados pelo
Virgo e em breve serão complementados pela
KAGRA e LIGO India, têm braços extremamente longos que se expandem e se contraem à medida que as ondas gravitacionais passam, produzindo um sinal detectável. Mas como isso funciona? Nosso leitor pergunta:
Se os comprimentos de onda da luz se estendem e contraem junto com o espaço-tempo, como o LIGO pode detectar ondas gravitacionais? Afinal, eles expandem e comprimem os dois braços do detector, de modo que as ondas dentro deles também devem se expandir e contrair. O número de comprimentos de onda que se encaixam no ombro não permanecerá constante, como resultado do qual o padrão de interferência não será alterado e as ondas não serão detectáveis?
Este é um dos paradoxos mais comuns que as pessoas pensam sobre ondas gravitacionais. Vamos descobrir e encontrar uma solução para isso!
De fato, um sistema como LIGO ou LISA é apenas um laser cujo feixe passa pelo divisor e segue os mesmos caminhos perpendiculares, e depois converge novamente em um e cria uma imagem de interferência. Com uma mudança no comprimento dos ombros, a imagem também muda.O detector de ondas gravitacionais funciona assim:
- Dois ombros longos do mesmo comprimento são criados, nos quais se encaixa um número inteiro de certos comprimentos de onda da luz.
- Toda a matéria é removida dos ombros e um vácuo ideal é criado.
- A luz coerente do mesmo comprimento de onda é dividida em dois componentes perpendiculares.
- Um vai em um ombro, o outro no outro.
- A luz é refletida nas duas extremidades de cada ombro milhares de vezes.
- Em seguida, recombina, criando um padrão de interferência.
Se o comprimento de onda permanecer o mesmo e a velocidade da transmissão da luz em cada ombro não mudar, a luz que se move em direções perpendiculares chegará ao mesmo tempo. Mas se em uma das direções houver vento contra o vento ou vento de cauda, a chegada será atrasada.Se a imagem da interferência não mudar na ausência de ondas gravitacionais, você sabe que o detector está configurado corretamente. Você sabe que levou em consideração o ruído e que o experimento foi organizado corretamente. Por quase 40 anos, o LIGO vem lutando com essa tarefa: tentar calibrar corretamente seu detector e trazer sensibilidade ao ponto em que o experimento pode reconhecer os verdadeiros sinais das ondas gravitacionais.
A magnitude desses sinais é incrivelmente pequena e, portanto, era tão difícil obter a precisão necessária.
Sensibilidade do LIGO em função do tempo em comparação com a sensibilidade do experimento Advanced LIGO. Explosões aparecem devido a várias fontes de ruído.Mas, tendo alcançado o que deseja, você já pode começar a procurar um sinal real. As ondas gravitacionais são únicas entre todos os diferentes tipos de radiação que aparecem no universo. Eles não interagem com partículas, mas são ondulações do próprio tecido do espaço.
Não se trata de monopólio (carga de transferência) e não de radiação dipolo (como oscilações de campos eletromagnéticos), mas a forma de radiação quadripolar.
E, em vez de campos elétricos e magnéticos de correspondência de fase perpendiculares à direção do movimento das ondas, as ondas gravitacionais se estendem e comprimem alternadamente o espaço pelo qual passam nas direções perpendiculares.
As ondas gravitacionais se propagam em uma direção, esticando e comprimindo alternadamente o espaço em direções perpendiculares, determinadas pela polarização da onda gravitacional.Portanto, nossos detectores são projetados dessa maneira. Quando uma onda gravitacional passa através de um detector do tipo LIGO, um de seus ombros se contrai e o outro se expande, e vice-versa, fornecendo uma imagem da oscilação mútua. Os detectores estão especialmente localizados em ângulos entre si e em diferentes lugares do planeta, de modo que, independentemente da orientação da onda gravitacional que passa por eles, esse sinal não afeta pelo menos um dos detectores.
Em outras palavras, independentemente da orientação da onda gravitacional, sempre haverá um detector no qual um braço é encurtado e o outro é alongado de forma oscilatória previsível quando a onda passa pelo detector.
O que isso significa no caso da luz? A luz sempre se move a uma velocidade constante c de 299 792 458 m / s. Esta é a velocidade da luz no vácuo, e há câmaras de vácuo dentro dos ombros do LIGO. E quando uma onda gravitacional passa através de cada um dos ombros, alongando-a ou encurtando-a, ela também aumenta ou diminui o comprimento de onda da luz dentro dela em uma quantidade apropriada.
À primeira vista, temos um problema: se a luz aumenta ou diminui junto com o alongamento ou encurtamento dos ombros, o padrão geral de interferência não deve mudar com a passagem da onda. É isso que a intuição nos diz.
Cinco fusões de buracos negros com buracos negros descobertos pelo LIGO (e Virgem) e outro sexto sinal de significado insuficiente. Até agora, a maioria das BHs observadas no LIGO possuía 36 massas solares antes da fusão. No entanto, as galáxias têm buracos negros supermassivos, com massas excedendo a energia solar em milhões ou bilhões de vezes e, embora o LIGO não as reconheça, a LISA pode fazer isso. Se a frequência da onda corresponder ao tempo que o feixe gasta no detector, podemos esperar extraí-lo.Mas isso não funciona assim. O comprimento de onda, que depende muito das mudanças no espaço quando uma onda gravitacional passa por ele, não afeta a imagem da interferência. Apenas a quantidade de tempo que leva para a luz passar pelos ombros é importante!
Quando uma onda gravitacional passa por um dos ombros, altera o comprimento efetivo do ombro e altera a distância que cada um dos raios precisa percorrer. Um ombro aumenta, aumentando o tempo de passagem, o outro é reduzido, reduzindo-o. Com uma mudança relativa no horário de chegada, vemos o padrão de oscilação, recriando as mudanças do padrão de interferência.
A figura mostra a reconstrução de quatro sinais específicos e um potencial (LVT151012) de ondas gravitacionais detectadas pelo LIGO e Virgo em 17 de outubro de 2017. A mais recente detecção de buraco negro, GW170814, foi realizada nos três detectores. Preste atenção à brevidade da mesclagem - de centenas de milissegundos a 2 segundos no máximo.Após a reunião dos raios, aparece uma diferença no tempo da viagem e, portanto, uma mudança detectável no padrão de interferência. A colaboração do LIGO
publicou uma analogia interessante do que está acontecendo:
Imagine que você deseja comparar com um amigo quanto tempo levará para chegar ao final do braço do interferômetro e vice-versa. Você concorda em viajar a uma velocidade de um quilômetro por hora. Como os raios laser LIGO, você sai estritamente da estação da esquina ao mesmo tempo e se move na mesma velocidade. Você deve se encontrar novamente estritamente ao mesmo tempo, apertar as mãos e continuar se movendo. Mas digamos que quando você andou até o fim, uma onda gravitacional passa. Um de vocês agora precisa percorrer uma distância maior e o outro menos. Isso significa que um de vocês retornará mais cedo que o outro. Você estende a mão para apertar a mão da sua amiga, mas ela não está lá! Seu aperto de mão foi interrompido! Como você conhece a velocidade do seu movimento, você pode medir o tempo que levará para o seu amigo retornar e determinar a distância que ele teve que se mover para chegar atrasado.
Quando você faz isso com luz, e não com um amigo, medirá não o atraso na chegada (já que a diferença será de cerca de 10 a
19 metros), mas a mudança no padrão de interferência observado.
Quando dois ombros são do mesmo tamanho e as ondas gravitacionais não passam por eles, o sinal será zero e o padrão de interferência é constante. Com uma mudança no comprimento dos braços, o sinal acaba sendo real e oscila, e o padrão de interferência muda no tempo de maneira previsível.Sim, de fato, a luz experimenta uma mudança de vermelho e azul quando uma onda gravitacional passa por seu lugar. Com a compressão do espaço, o comprimento de onda da luz também é comprimido, o que a torna azul; com alongamento e a onda é esticada, o que a torna mais vermelha. No entanto, essas mudanças são de curto prazo e sem importância, pelo menos em comparação com a diferença no comprimento do caminho que a luz deve passar.
Essa é a chave de tudo: a luz vermelha com uma onda longa e a luz azul com uma curta passam o mesmo tempo superando a mesma distância, embora uma onda azul leve mais cristas e quedas. A velocidade da luz no vácuo não depende do comprimento de onda. A única coisa que importa para o padrão de interferência é a distância que a luz teve que percorrer.
Quanto maior o comprimento de onda do fóton, menor a sua energia. Mas todos os fótons, independentemente do comprimento de onda e energia, se movem na mesma velocidade: a velocidade da luz. O número de comprimentos de onda necessários para cobrir uma certa distância pode variar, mas o tempo necessário para mover a luz será o mesmo.É a mudança na distância que a luz viaja quando uma onda gravitacional passa através do detector que determina a mudança observada no padrão de interferência. Quando a onda passa pelo detector, em uma direção o ombro é alongado e, na outra, é encurtado simultaneamente, o que leva a uma mudança relativa no comprimento dos caminhos e no tempo de passagem da luz através deles.
À medida que a luz viaja através deles na velocidade da luz, as mudanças nos comprimentos de onda são irrelevantes; quando se encontrarem, estarão em um lugar no espaço-tempo e seus comprimentos de onda serão idênticos. O importante é que um raio de luz gaste mais tempo no detector e, quando se reencontrarem, não estarão mais em fase. É daí que o sinal LIGO vem, e é assim que detectamos ondas gravitacionais!
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